隧道施工對(duì)臨近樁基影響的數(shù)值分析

胡錫鵬 劉拴錠 馬思偉 彭朝陽(yáng)

(中交第一公路工程局有限公司，100024,北京//第一作者,助理工程師)

隨著我國(guó)城市的高速發(fā)展，地鐵已成為緩解城市交通的最有效工具之一。而地鐵往往穿越城市密集建筑物群，需要在已有建(構(gòu))筑物下或附近進(jìn)行施工,由此隧道施工將不可避免地對(duì)臨近樁基產(chǎn)生影響。

現(xiàn)有研究表明，隧道施工會(huì)不可避免地對(duì)周邊地層產(chǎn)生擾動(dòng)，進(jìn)而對(duì)其周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生影響。當(dāng)隧道穿越或近鄰既有樁基時(shí)，隧道、周邊土體及樁基將不可避免地產(chǎn)生相互影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道開(kāi)挖引起的樁基變形研究較多，文獻(xiàn)[1]采用數(shù)值分析方法研究了非均質(zhì)土條件下盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近承載樁基的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[2]以天津地鐵盾構(gòu)施工為工程依托，研究了隧道開(kāi)挖對(duì)樁基礎(chǔ)的影響。文獻(xiàn)[3]通過(guò)模型試驗(yàn)分析了膨脹土地基中隧道施工引起的樁附加沉降、附加彎矩與軸力的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[4]從樁側(cè)摩阻力、樁端抗力角度研究了樁基承載力作用規(guī)律。文獻(xiàn)[5]基于理想彈塑性解研究了隧道-土體-樁基之間的相互作用，推導(dǎo)了隧道開(kāi)挖對(duì)樁基的水平位移和彎矩理論解。

雖然關(guān)于隧道開(kāi)挖對(duì)樁基的影響研究較多，但工程實(shí)際中由于地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)的差異，對(duì)樁基的實(shí)際影響程度也不盡相同，需要作進(jìn)一步深入研究。本文以重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間隧道下穿樁基為工程依托，重點(diǎn)研究了隧道開(kāi)挖對(duì)樁基的變形及承載性能影響。

1 工程概況

軌道交通環(huán)線作為重慶市軌道交通線網(wǎng)的重要組成部分，具有重要的路網(wǎng)連接功能，是線網(wǎng)中最重要的骨干線路。重慶軌道交通環(huán)線的上橋站—鳳鳴山站區(qū)間右線隧道總長(zhǎng)為858.388 m，其中復(fù)合TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))施工區(qū)間長(zhǎng)841.880 m；左線隧道總長(zhǎng)為870.009 m，其中復(fù)合TBM施工區(qū)間長(zhǎng)853.502 m。區(qū)間線路縱斷面為單坡，最大坡度為26‰、最小坡度為2‰，隧道頂部埋深為10.2～30.4 m。沿線穿越的巖層主要為J2s-Sm砂巖泥巖、J2s-Ss砂巖。經(jīng)設(shè)計(jì)勘察后,綜合考慮采用2臺(tái)單護(hù)盾TBM進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)刀盤(pán)直徑為6.88 m，隧道采用高強(qiáng)混凝土管片錯(cuò)縫拼接，管片厚350 mm，每環(huán)掘進(jìn)1.5 m。區(qū)間右線YDK3+530—YDK3+580段垂直下穿樁基混凝土結(jié)構(gòu)的鴻禧酒店，隧道頂部與樁底垂直間距4 m。下穿段左線隧道位于砂質(zhì)泥巖和砂巖復(fù)合地層中，右線隧道位于砂質(zhì)泥巖地層。由于隧道掘進(jìn)過(guò)程酒店正常運(yùn)行，建筑物的設(shè)計(jì)變形值要求控制在20 mm以內(nèi)，因此隧道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)樁基變形及樁基承載力損失的控制極為重要。隧道與樁基結(jié)構(gòu)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道下穿樁基結(jié)構(gòu)位置剖面圖

2 數(shù)值計(jì)算模型

結(jié)合工程地質(zhì)條件及工程特點(diǎn)，采用有限元方法分析隧道開(kāi)挖對(duì)臨近樁基的變形受力影響。計(jì)算模型考慮隧道-土體-樁基三部分的相互作用。隧道直徑設(shè)定為6.88 m，埋深16 m。建筑物基礎(chǔ)為1.2 m×1.2 m摩擦型樁，樁長(zhǎng)16 m，樁間距4 m。采用空間8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(C3D8)進(jìn)行模擬，樁底與土體綁定，防止樁與土體斷開(kāi)。建筑物采用等效荷載替代方法計(jì)算[6]，即地應(yīng)力平衡后，在復(fù)合樁基頂部施加大小為300 kPa的均布荷載，模擬既有建筑物的存在。模型空間尺寸為80.0 m(x方向)、100.0 m(y方向)、50.0 m(z方向)，隧道開(kāi)挖方向?yàn)閤軸負(fù)向。4個(gè)側(cè)面邊界條件為法向約束，底部為全約束，上表面為自由面。巖土體強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。管片與樁體假定為各向同性彈性材料，計(jì)算所需的材料參數(shù)值如表1所示。

表1 有限元分析模型介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)值

圖2為隧道開(kāi)挖后豎向位移云圖。由圖2可知，開(kāi)挖后最大沉降量為5.33 mm，發(fā)生在隧道右線頂部，這是由于右線隧道下穿樁基承受了較大的豎向應(yīng)力的原因。同時(shí)隧道底部出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，最大隆起量為4 mm。圖3和圖4分別為隧道開(kāi)挖后群樁的豎向及水平位移。由圖3、圖4可知，土層變形條件下引發(fā)的樁體豎向及水平位移均不大，最大豎向位移為6.5 mm，而最大水平位移為2.7 mm。由于隧道開(kāi)挖引起地層發(fā)生沉降位移，而地層變形又造成樁基與其臨近土體的接觸面發(fā)生相對(duì)位移。

圖2 隧道開(kāi)挖后豎向位移云圖

圖3 群樁豎向位移等值線圖

圖4 群樁水平位移等值線圖

在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，假定樁體為剛性基礎(chǔ)，故樁與周邊土體的位移則是通過(guò)土體位移改變而實(shí)現(xiàn)。樁周邊土體位移會(huì)引發(fā)土體應(yīng)力重新分布，進(jìn)而改變樁體的受力特性。故隧道開(kāi)挖對(duì)樁基的影響可分為：

(1)隧道開(kāi)挖產(chǎn)生擾動(dòng)，地層變形，使得圍巖應(yīng)力重新分布,土體物理性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致土體通過(guò)變形來(lái)適應(yīng)這種改變，直至新的應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到平衡。

(2)隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的地層變形傳遞到樁周土體，使得樁周土體的物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力場(chǎng)也相應(yīng)發(fā)生改變，從而改變樁的側(cè)阻力及樁端阻力，甚至出現(xiàn)樁側(cè)負(fù)摩擦阻力。這將導(dǎo)致樁基承載力的大幅降低，同時(shí)使得樁基產(chǎn)生一定的沉降。

由上可知，隧道臨近既有樁基施工時(shí)，隧道開(kāi)挖通過(guò)地層變形對(duì)樁基產(chǎn)生影響，隧道、土體和樁基三者之間形成了有機(jī)的相互作用體系。

為進(jìn)一步研究隧道開(kāi)挖對(duì)單樁的影響，根據(jù)樁體與隧道的空間位置關(guān)系，將隧巖區(qū)域劃分為3個(gè)區(qū)域，如圖5所示。分別研究3個(gè)區(qū)域下的單樁受隧道開(kāi)挖的影響。

注:φ為土體內(nèi)摩擦角

圖5 樁與隧道位置關(guān)系圖

由圖6可見(jiàn)，不同圍巖區(qū)域的樁體變形及內(nèi)力分布受隧道開(kāi)挖影響程度各不相同，離隧道軸線距離越小,土體沉降位移越大。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域的樁體沉降值為A樁>B樁>C樁，且各樁體沉降最大值均出現(xiàn)在樁體頂部，并隨樁長(zhǎng)逐漸減小。由于樁體剛度較大，沉降減小趨勢(shì)并不明顯。對(duì)比圖6與圖2可知，Ⅰ區(qū)樁最大沉降值大于地表沉降值，Ⅱ區(qū)樁最大沉降值與土體沉降值幾乎相同，而Ⅲ區(qū)樁最大沉降值小于土體沉降值，這與文獻(xiàn)[7]結(jié)論較為一致。

圖7為隧道開(kāi)挖前后A、B、C樁的樁身軸力分布圖。由圖7可知，不同圍巖區(qū)域的樁身軸力在隧道開(kāi)挖后的變化趨勢(shì)略有不同，主要與樁身周邊土體相對(duì)豎向位移有關(guān)。Ⅰ區(qū)的A樁受隧道施工影響,相對(duì)土體向下移動(dòng)，側(cè)阻力增大，從而導(dǎo)致開(kāi)挖后的樁身軸力較開(kāi)挖前有所增大；Ⅱ區(qū)的B樁與土體的相對(duì)位移較小，隧道開(kāi)挖后樁身軸力變化不大；Ⅲ區(qū)的C樁相對(duì)土體向上移動(dòng)，側(cè)阻力減少甚至出現(xiàn)負(fù)摩阻力，從而導(dǎo)致開(kāi)挖后樁身軸力減少。

圖6 樁體豎向位移分布圖

圖7 樁身軸力分布圖

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

3.1 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿開(kāi)挖方向每5 m布置1組，測(cè)點(diǎn)間距5～10 m(見(jiàn)圖8)。下穿段(K3+580斷面)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn),雖然右側(cè)建筑物的群樁增大了樁周土體的剛度，但受左右線地質(zhì)條件差異的影響，地表沉降呈偏態(tài)的單凹槽狀，最大沉降位于雙線中心右側(cè)附近，最大沉降量為5.51 mm。

3.2 樁軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

在隧道穿越樁混結(jié)構(gòu)施工中,對(duì)樁軸力進(jìn)行實(shí)測(cè)。在樁承臺(tái)之下1 m深度處進(jìn)行樁身鑿孔，鑿入深度為30 cm，然后埋入應(yīng)力盒，用于監(jiān)測(cè)盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中樁軸力的變化情況。圖10為隧道頂部Ⅰ區(qū)A樁軸力監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比情況圖。由圖10可知，盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)樁軸力影響的監(jiān)測(cè)值與模擬計(jì)算結(jié)果在總體變化規(guī)律上較為吻合,所不同的是模擬計(jì)算值略大于監(jiān)測(cè)值。這可能是由于實(shí)際建筑物樁基位于砂質(zhì)泥巖地層，是按保守的摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而模擬過(guò)程并未考慮樁端承載力影響，導(dǎo)致模擬值略小于監(jiān)測(cè)值。由此,說(shuō)明本文中數(shù)值模擬的結(jié)果偏于可靠。

圖8 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

圖9 下穿段地表沉降監(jiān)測(cè)曲線

圖10 A樁軸力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化曲線

4 結(jié)論

(1)隧道開(kāi)挖通過(guò)土體變形對(duì)樁基產(chǎn)生影響，開(kāi)挖過(guò)程中隧道、土體和樁基三者之間形成有機(jī)的相互作用體系。

(2)圍巖區(qū)域不同，樁體受隧道開(kāi)挖的影響程度不同。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域的樁體變形及內(nèi)力受開(kāi)挖影響程度為：A樁>B樁>C樁。Ⅲ區(qū)的C樁相對(duì)土體向上移動(dòng)，側(cè)阻力減少,出現(xiàn)負(fù)摩阻力。

(3)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，受地層差異和既有結(jié)構(gòu)剛度的影響，雙線地表沉降呈偏態(tài)的單凹槽狀。樁身軸力的監(jiān)測(cè)變化規(guī)律與模擬結(jié)果大致相同，驗(yàn)證了本文中數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。